Использование промежуточных элементов из сплавов с термоупругими фазовыми превращениями для фиксирования зубьев в шарошках буровых долот

Abstract

Актуальность. Одним из проблемных элементов конструкций шарошечных долот является сопряжение зубьев и шарошки. Известно, что на первых этапах бурения возможно выпадение зубьев, что, в свою очередь, снижает эффективность долота, а наличие на забое скважины элементов шарошечного долота с твердостью, равной твердости самого инструмента, приводит к быстрому выходу из строя и влечет за собой издержки, связанные с внештатными ремонтно-профилактическими работами и устранением неполадок. Цель. Поднимается вопрос об увеличении надежности фиксации твердосплавного вооружения шарошечных долот путем применения промежуточных элементов, выполненных из сплавов с термоупругими фазовыми превращениями. Методы. Руководствуясь принципом эффективного использования явлений эффекта памяти формы и псевдоупругости (сверхэластичности), свойственных данному классу материалов, был произведен анализ условий работы шарошечных долот, разработана конструкция, позволяющая изменить принцип монтажа зубьев в шарошки долота, подобран оптимальный сплав никелида титана, проведены испытания, подтверждающие положительный эффект от предлагаемого метода. Предлагается использование для фиксации зубьев в шарошке бурового долота переходных фиксирующих элементов, изготовленных из сплавов с термоупругими фазовыми превращениями и имеющих геометрические особенности, позволяющие обеспечить фиксацию зубьев с фиксирующим элементом и шарошкой за счет геометрии, представляющей собой конусное или фрикционно-конусное соединение. Оборудование. В процессе работ были использованы: прибор для проведения съемки рентгенофлуоресцентного анализа Shimadzu EDX-8000, дифрактометр рентгеновский Shimadzu XRD-7000, 3D-cкaнeр со структурированным подсветом RаngеVisiоn DIY, испытательная машина на растяжение Instron 8801. Результаты и выводы. На основании проведенных испытаний был сделан вывод, что подобранные метод монтажа, материал и конструкция позволят увеличить надежность фиксации твёрдосплавных зубьев и, как следствие, увеличить проходку на одно долото, и уменьшит риск нештатной ситуации. Это, в свою очередь, будет способствовать сокращению материальных и временных затрат, закладываемых на этапе проекта строительства скважин

Relevance. One of the problematic elements of roller bit designs is the coupling of the teeth and the roller cutter. It is known that at the first stages of drilling, teeth may fall out, which in its turn reduces the efficiency of the bit, and the presence of roller bit elements at the well bottom with a hardness equal to the hardness of the tool itself leads to rapid failure and entails costs associated with emergency repair and maintenance work and troubleshooting. Aim. The article raises issue of increasing the reliability of fixing the hard-alloy structure of roller bits by using intermediate elements made of alloys with thermoelastic phase transformations. Methods. Guided by the principle of efficient use of the shape memory effect and pseudoelasticity (superelasticity) phenomena inherent in this class of materials, the operating conditions of roller bits were analyzed, a design was developed that allows changing the principle of mounting teeth in the roller bit, an optimal titanium nickelide alloy was selected, and tests were conducted that confirmed the positive effect of the proposed method. It is proposed to use transitional locking elements for fixing teeth in the roller bit of a drill bit, made of alloys with thermoelastic phase transformations and having geometric features that allow fixing the teeth with the locking element and the roller due to the geometry, which is a conical or friction-conical connection. Equipment. The following equipment was used in the course of the work: a Shimadzu EDX-8000 X-ray fluorescence analysis device, a Shimadzu XRD-7000 X-ray diffractometer, a RangeVision DIY structured illumination 3D scanner, and an Instron 8801 tensile testing machine. Results and conclusions. Based on the tests, it was concluded that the selected installation method, material, and design will increase the reliability of the hard-alloy teeth fixation and, as a result, increase the penetration per bit, and reduce the risk of an emergency. This, in its turn, will help reduce the material and time costs included at the well construction stage